移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)組的選擇

王志偉，戴 虹，易 瓊

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲412001)

移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)組的選擇

王志偉1，戴 虹2，易 瓊3

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲412001)

在目前移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)中，均采用柴油發(fā)電機(jī)組作為焊機(jī)系統(tǒng)的供電電源。列舉了現(xiàn)有移動(dòng)式交流鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)組的功率選配現(xiàn)狀，分析了移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)實(shí)際用電功率需求，指出現(xiàn)有柴油發(fā)電機(jī)組選配功率不足的普遍問題，提出初步改進(jìn)意見。

移動(dòng)式；閃光焊機(jī)；柴油發(fā)電機(jī)組；選擇

0 前言

目前，移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)的在線焊接供電電源為柴油發(fā)電機(jī)組(以下簡稱柴電機(jī)組)，這種供電電源具有使用靈活廣泛、環(huán)境適應(yīng)性好、供電連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。但在現(xiàn)場使用中，發(fā)現(xiàn)原配柴電機(jī)組普遍存在輸出功率不足的問題，只能適應(yīng)連續(xù)閃光焊工藝焊接50軌和60軌的要求，不能很好適應(yīng)脈動(dòng)閃光焊工藝焊接60軌的要求，更不能適應(yīng)焊接75軌的工況。在焊接鋼軌時(shí)，原配柴電機(jī)組長期處于短時(shí)超負(fù)荷的工作狀態(tài)，柴油機(jī)壽命較短、油耗偏大，磨損嚴(yán)重，柴電機(jī)組在焊接鋼軌時(shí)排放黑煙、積碳現(xiàn)象嚴(yán)重，污染加劇，噪聲增加，年度維護(hù)工作量繁重；另外，由于供電功率不足，使移動(dòng)式鋼軌閃光焊野外在線焊接質(zhì)量不易提高，延誤施工工期，增加施工開天窗時(shí)間，增加施工成本。目前暫無專門文獻(xiàn)對移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)如何合理選配柴電機(jī)組這一問題進(jìn)行研究，給合理選用柴電機(jī)組帶來困難，使得生產(chǎn)廠家和用戶選擇柴電機(jī)組具有盲目性。為改變這一滯后局面，在此對該問題進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)有移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)中柴電機(jī)組的功率原配方案

柴油機(jī)的輸出功率通常標(biāo)為常用功率和備用功率，一般用kW標(biāo)識(shí)，在選擇柴電機(jī)組時(shí)，應(yīng)該按照柴油機(jī)常用功率選擇，發(fā)電機(jī)輸出功率一般采用kVA標(biāo)識(shí)，交流三相無刷同步發(fā)電機(jī)COSφ均為0.8。表1為常見的移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)和廠家原配的柴電機(jī)組情況一覽表，其數(shù)據(jù)來源于各廠家網(wǎng)站對所生產(chǎn)的移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)的介紹和焊機(jī)實(shí)際銘牌標(biāo)識(shí)。

柴電機(jī)組除了給閃光焊機(jī)供電外，還需要給液壓系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)供電，液壓系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)供電總功率在沒使用變頻伺服泵或者永磁伺服泵時(shí)不小于35 kW，最好能到50 kW，在使用變頻伺服泵或者永磁無刷伺服泵時(shí)不小于30 kW。為降低柴電機(jī)組系統(tǒng)輸出阻抗，增大系統(tǒng)短路容量，通常取發(fā)電機(jī)輸出功率大于柴油機(jī)輸出功率。但具體到柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)如何適當(dāng)配合，從表1可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)廠家選配方案五花八門，沒有太多規(guī)律可循。要解決這個(gè)普遍存在的問題，應(yīng)對移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)在連續(xù)閃光焊和脈動(dòng)閃光焊工況下所需功率進(jìn)行仔細(xì)分析，并結(jié)合移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)設(shè)備配置來分析，才能找到對策。

表1 移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)的柴電機(jī)組選配情況

2 移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)實(shí)際所需功率分析

(1)三相交流不對稱系統(tǒng)。

(2)三相交流對稱系統(tǒng)。

式中 P為柴油機(jī)實(shí)際所需功率(單位：kW)；P1為發(fā)電機(jī)輸出功率(單位：kVA)；P2為焊機(jī)短時(shí)間平均功率(單位：kW)；P3為焊機(jī)輔助系統(tǒng)功率(單位：kW)；η 為焊機(jī)系統(tǒng)總效率；COSφ1為焊機(jī)系統(tǒng)全功率因數(shù)；系數(shù)0.577為三相交流電源僅帶單相交流負(fù)荷時(shí)的三相電源功率利用率；K1為柴油機(jī)功率余量，根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)，K1可取0.86，此時(shí)柴油機(jī)能耗最低，排放污染最少，且熱效率最高[1]；K2為發(fā)電機(jī)功率余量，根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)，K2可取1。

注意：程控高低壓連續(xù)閃光焊所需的短時(shí)平均功率與脈動(dòng)閃光焊有所不同，相比之下，脈動(dòng)閃光焊的短時(shí)平均功率要大一些，焊機(jī)功率應(yīng)以不穩(wěn)定閃光平均電流進(jìn)行計(jì)算[2]。并且焊機(jī)在工作時(shí)，短時(shí)輸入功率比焊機(jī)變壓器額定功率要大得多，當(dāng)閃光焊機(jī)在加速燒化和帶電頂鍛階段，如果柴電機(jī)組供給焊接變壓器的功率不足，而此時(shí)由于液壓驅(qū)動(dòng)焊鉗系統(tǒng)快速脈動(dòng)或快速進(jìn)給更需要一定功率，會(huì)造成液壓系統(tǒng)外特性變軟而導(dǎo)致液壓焊鉗拉力不足，從而使得焊接過程難以控制，影響焊接質(zhì)量，因此，希望柴油機(jī)能有較大的短時(shí)輸出功率。另外，由于閃光焊負(fù)載具有短時(shí)需求功率大、功率因數(shù)偏低的特點(diǎn)，要求發(fā)電機(jī)具有一定的抗過載能力，并且內(nèi)阻較低，能在短時(shí)間內(nèi)輸出很大功率而不會(huì)使發(fā)電機(jī)輸出端電壓瞬時(shí)波動(dòng)過大。表2列出常見的移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)焊接75軌時(shí)短時(shí)實(shí)際焊接平均功率和對柴電機(jī)組的輸出功率需求；表3列出常見的移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)焊接60軌時(shí)短時(shí)實(shí)際焊接平均功率和對柴電機(jī)組的輸出功率需求。

表2 常見的移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)焊接75軌時(shí)短時(shí)實(shí)際焊接平均功率和對柴電機(jī)組的輸出功率需求

表3 常見的移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)焊接60軌時(shí)短時(shí)實(shí)際焊接平均功率和對柴電機(jī)組的輸出功率需求

由表1～表3可知，目前的移動(dòng)式鋼軌閃光焊系統(tǒng)除美國Caterpillar-Chemetron公司的直流逆變焊機(jī)外，其余均采用單相交流調(diào)壓方式進(jìn)行焊接功率調(diào)節(jié)，并且沒有功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置或者三相變單相逆變裝置，故存在柴電機(jī)組三相輸出偏相和焊機(jī)系統(tǒng)全功率因數(shù)較低的問題，從而使得目前移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)對柴電機(jī)組功率需求很大，特別是采用脈動(dòng)閃光焊工藝后，對柴電機(jī)組功率需求更大，推薦移動(dòng)式焊軌列車的柴電機(jī)組功率不宜小于800 kVA[3]，但事實(shí)上現(xiàn)有機(jī)型均未做到這一點(diǎn)。在脈動(dòng)閃光焊工藝工況下，原配柴電機(jī)組普遍存在功率偏小，不能適應(yīng)這種焊接工藝對供電功率的要求，而且還造成液壓系統(tǒng)短時(shí)輸出功率下降而導(dǎo)致頂鍛力下降。除產(chǎn)生上述問題外，由于柴油機(jī)瞬時(shí)輸出功率小，使得在野外鋼軌施工線上焊接時(shí)閃光焊接質(zhì)量下降，灰斑生成幾率大幅度增加，焊縫質(zhì)量變差，焊接廢頭率上升，從而嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，并且大大增加了材料的損耗和能源的消耗。因此，有必要根據(jù)表2、表3列出的選配方案和現(xiàn)場焊接設(shè)備的狀況及附加設(shè)備，選擇適當(dāng)功率的柴電機(jī)組，以提高鋼軌閃光焊接質(zhì)量，提高施工后鐵道線路的安全性，并達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)，系統(tǒng)三相供電平衡后，液壓泵站電機(jī)可采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速甚至直流永磁無刷電機(jī)調(diào)速變量泵增強(qiáng)液壓泵站的輸出能力，使液壓系統(tǒng)更好地適應(yīng)脈動(dòng)閃光焊工藝要求。

3 柴油發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備的選擇

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備的選用原則

移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)工作環(huán)境惡劣，野外工作配件供應(yīng)困難，維修難度大，故要求柴電機(jī)組中柴油機(jī)除了能滿足焊接功率需求外，還應(yīng)具有可靠性高、日常維護(hù)簡單、配件供應(yīng)方便、配件價(jià)格合理等特點(diǎn)；對于柴電機(jī)組的發(fā)電機(jī)，要求結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、穩(wěn)壓精度高、動(dòng)態(tài)特性好、配件價(jià)格合理且易于采購、發(fā)電機(jī)自身阻抗低、且能可靠自行起勵(lì)、體積小，最好能采用銅線繞組單軸承三相自勵(lì)恒壓無刷同步發(fā)電機(jī)，且采用永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式起勵(lì)(即PMG發(fā)電機(jī))[4]。根據(jù)表2、表3可知，當(dāng)移動(dòng)式交流鋼軌閃光焊機(jī)系統(tǒng)三相負(fù)荷均衡時(shí)，柴電機(jī)組需要的功率可以大大降低，可有效提高焊接質(zhì)量，并有效節(jié)能、降低污染排放。在現(xiàn)有施工條件和技術(shù)水平下，輔助設(shè)備可選用全數(shù)字化方波逆變電源，即方波三相變單相系統(tǒng)。

3.2 柴油機(jī)的選擇

可選用沃爾沃、勞斯萊斯、BMW、卡特彼勒、康明斯、三菱重機(jī)、底特律、MTU等公司的柴油機(jī)，柴油機(jī)的常用輸出功率可根據(jù)閃光焊機(jī)機(jī)型及附加裝置按照表2選擇功率相等或功率大一級的柴油機(jī)，并且優(yōu)選四沖程渦輪增壓高壓共軌電噴柴油機(jī)型號(hào)。

3.3 發(fā)電機(jī)的選擇

可選用無錫新時(shí)代、無錫斯坦福、上海馬拉松革新、福州利萊森瑪?shù)葟S家生產(chǎn)的單軸承PMG永磁輔勵(lì)三相無刷同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)可根據(jù)閃光焊機(jī)機(jī)型和附加裝置按照表2選擇輸出功率相同或者輸出功率等級大一級的發(fā)電機(jī)。

3.4 輔助設(shè)備的選擇

在現(xiàn)有施工條件下，采用晶閘管或者IGBT方波逆變電源可滿足上述要求，特別是全數(shù)字化晶閘管方波逆變電源，耐受過電流能力強(qiáng)、維護(hù)簡單、系統(tǒng)價(jià)格較低、配件價(jià)格低廉。

依照上述三個(gè)原則，以鐵路鋪設(shè)施工現(xiàn)場常見的К 922機(jī)頭焊接75軌和60軌為例，選擇柴油發(fā)電機(jī)組和輔助設(shè)備方案如下：

(1)為滿足К 922機(jī)頭方波脈動(dòng)閃光焊工藝焊接75軌的要求，柴油機(jī)選康明斯700kW，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為康明斯KTA38-G2，發(fā)電機(jī)為無錫斯坦福HCM634J，全數(shù)字晶閘管方波逆變電源功率為800 kW。

(2)為滿足К 922機(jī)頭方波脈動(dòng)閃光焊工藝焊接60軌的要求，柴油機(jī)選康明斯400 kW，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為康明斯KTAA19-G3，發(fā)電機(jī)為無錫斯坦福HCM634G，全數(shù)字晶閘管方波逆變電源功率為500 kW。

采用3 kW三相調(diào)壓器(模擬柴油發(fā)電機(jī)組功率輸出)、全數(shù)字化晶閘管方波逆變電源1 kW模擬樣機(jī)和單相交流碳棒電弧光發(fā)生器(模擬閃光焊負(fù)載)對上述公式與選擇結(jié)論進(jìn)行模擬測試，得到的結(jié)論證實(shí)了柴油發(fā)電機(jī)組功率選擇計(jì)算公式的正確性，并證實(shí)了三相變單相方波逆變器在閃光焊接中的節(jié)能作用，為其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

從上述分析及現(xiàn)場模擬實(shí)際工況發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有移動(dòng)式交流鋼軌閃光焊機(jī)由于三相負(fù)荷不平衡而普遍存在柴電機(jī)組輸出功率不足的問題。根據(jù)鋼軌交流閃光焊機(jī)類型和主要焊接鋼軌類型，選擇功率合適的柴電機(jī)組及三相變單相輔助裝置，可有效提高焊接質(zhì)量，降低能耗。

[1]船用柴油發(fā)電機(jī)組功率匹配比的選擇[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1980(12)：51-56.

[2]楊來順.鋼軌焊接工[M].北京：中國鐵道出版社，2000：218.

[3]楊來順.鋼軌焊接工[M].北京：中國鐵道出版社，2000：247.

[4]蘇石川.現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用與管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：7-90.

How to choose diesel power unit in mobile railway flash-butt-welding system

WANG Zhi-wei1，DAI Hong2，YI Qiong3
(1.Electrical Engineering Faculty，Hu'nan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China；2.Material Science and Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

In current mobile railway flash-butt-welding system，all welding machine supply power is diesel power unit.Enumerate current diesel power unit selections in mobile railway flash-butt-welding system and analyze power consumption in mobile railway flash-butt-welding machine，figure out under-power in current diesel power unit，propose preliminary improvement suggestion.

choose；mobile；flash-butt-welding machine；diesel power unit；choose

TM314+.2

A

1001-2303(2012)07-0031-04

2011-09-28；

2012-03-04

湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目(09C1228)

王志偉(1973—)，男，湖南湘潭人，講師，碩士，主要從事鋼軌閃光焊系統(tǒng)供電電源及特種電力電子裝置的研制和教學(xué)工作。